Rillenkugellagern (2)

Die Fettgebrauchs-dauer in lebensdauer-geschmierten Rillenkugellagern

Zur Abschätzung der Fettgebrauchsdauer in lebensdauergeschmierten Kugellagern wurde von SKF unter Berücksichtigung der Betriebstemperatur und Fettsorte ein neues Diagramm entwickelt

In vielen fettgeschmierten Anwendungen ist die Gebrauchsdauer des Schmierfetts länger als die Lebensdauer des Lagers, so dass die Lager nicht nachgeschmiert werden müssen. Für solche Anwendungen bietet SKF wartungsfreie, werkseitig mit Fett befüllte Lager und Lagereinheiten mit integrierten Dicht- oder Deckscheiben an.

Um festzustellen, ob ein solches wartungsfreies Lager eingesetzt werden kann, wird die Fettgebrauchsdauer anhand der Betriebsparameter näherungsweise bestimmt. Sie hängt vor allem von Bauart und Größe des Lagers, von Drehzahl, Betriebstemperatur, Fettsorte und Umgebungsbedingungen ab.

Grundsätzlich kann zur Abschätzung der Fettgebrauchsdauer auch das neue Dia­gramm der Nachschmierfristen im neuen SKF Hauptkatalog 5000 herange­zogen werden. Hier erhält man aber eher vorsichtig angesetzte Werte, denn die Be­rechnungsgrundsätze und ­entsprechenden Einschränkungen im Abschnitt „Schmierung“ im SKF Hauptkatalog beziehen sich in erster Linie auf Lager mit Nachschmiermöglichkeit.

Genauere Berechnungen, die für lebens­dauergeschmierte Lager mit z.B. mehr als 30.000 berechneten Betriebsstunden unter Verwendung von Spezialfetten und außergewöhnlichen Betriebstemperaturen wünschenswert sind, werden nicht berücksichtigt. SKF hat ein neues Verfahren zur Fettgebrauchsdauerberechnung für lebensdauergeschmierte Lager entwickelt, welches dieser Beitrag vorstellt.

Einflussfaktoren für die ­Fettgebrauchsdauer
Bisher wird die Fettgebrauchsdauer im Allgemeinen anhand von Erfahrungswerten bestimmt. Lagerbauart, Lagergröße, Drehzahl und Betriebstemperatur sind hier die wichtigsten Parameter.

Durch Analysen der verfügbaren Praxisdaten und durch Laborversuchsreihen zur Fettgebrauchsdauer konnten die SKF Ingenieure das Phänomen der Fettgebrauchsdauer besser erfassen und die bestehenden Rechenmodelle überarbeiten.

Wichtig war dabei die Erkenntnis, dass unterschiedliche Verläufe beim Fettausfall auf die Betriebstemperatur zurückzuführen sind. Daraus entstand das SKF „Ampel“-Konzept, das im SKF Hauptkatalog 5000 dargelegt ist (siehe Abb. 1).

SKF hat eine untere Betriebstemperaturgrenze (LTPL – low temperature performance limit) und eine obere Betriebstemperaturgrenze (HTPL – high temperature performance limit) festgelegt, die den Temperaturbereich eingrenzen, in dem ein Schmierfett zuverlässig die gewünschte Schmierwirkung erbringt und die Fettgebrauchsdauer genau bestimmt werden kann. In diesem grünen Bereich wurden genaue Beziehungen zwischen den wesentlichen Parametern gefunden. Sie ergeben eine Art von Arrhenius-Gleichung, wie sie für eine chemische Reaktion in Abhängigkeit von der Temperatur typisch ist.

Abb. 2 zeigt schematisch die vorhersagbare Fettlebensdauer innerhalb des grünen Bereichs. Lageranwendungen, die außerhalb des grünen Bereichs liegen, müssen gesondert betrachtet werden, weil die auftretenden Ausfallmechanismen beim Schmierfett komplexer sind und eine breitere Streuung aufweisen und daher schwieriger vorherzusagen sind.

Auch für den Parameter Drehzahl A = n x dm (mit n gleich der Drehzahl in Umdrehungen pro Minute und dm gleich dem mittleren Lagerdurchmesser in mm) wurden die vorliegenden Daten für die Fettlebensdauer neu eingeordnet. Oberhalb einer bestimmten Drehzahl fallen herkömmliche Fette häuvorzeitig aus, während neuartige Fette mit spezieller Formulierung noch bis zu wesentlich höheren Drehzahlen einen normalen Ausfallmechanismus aufweisen können. Einschränkungen der Drehzahl dürfen nicht zu einer Verzerrung der Kurven des allgemeinen Modells führen, sondern sind für jedes Fett gesondert zu bestimmen.

Schließlich wurde der Einfluss der Lagerbelastung auf die Fettgebrauchsdauer als separater Beiwert aufgenommen. Bei niedriger Belastung (d.h. C/P ≥ 15) ist die Fettgebrauchsdauer von der Belastung unabhängig, bei höheren Belastungen dagegen (C/P <15) ist ein solcher Beiwert erforderlich. In älteren Modellen werden die Werte für größere Lager oft vorsichtiger angesetzt, da sie häuin Anwendungen mit höheren Belastungen laufen. Aus der obenstehenden Analyse wurde das neue Diagramm Nachschmierfristen im SKF Hauptkatalog 5000 entwickelt, für eine Betriebstemperatur von 70°C unter Verwendung eines Lithiumseifenfetts auf Mineralölbasis. Empfehlungen wie die beschleunigte Fettalterung bei höheren Temperaturen und der entsprechenden Einschränkungen gehandhabt werden soll, werden separat gegeben. Die Gleichungen, auf denen dieses Diagramm der Nachschmierfristen beruht, sind auch die Grundlage für das spezielle Diagramm für lebensdauergeschmierte Lager.

Lebensdauerschmierung
Empfehlungen zur Fettgebrauchsdauer beruhen immer auf statistischen Daten. Bei SKF ist die Nachschmierfrist als der Zeitraum definiert, bei dem 99 Prozent der Lager noch ausreichend geschmiert sind. Dies ist die Fettlebensdauer L01. Bei lebensdauergeschmierten Lagern wird die Fettlebensdauer eher als L10 definiert, was der Definition der Lager-Ermüdungslebensdauer entspricht. Bei einer typischen Verteilung der Fettlebensdauer beträgt das Verhältnis zwischen L01 und L10 gleich L10 ≈ 2,7 L01.

Längere Laufzeit
Bei der Nachschmierung wird von Intervallen von mehr als 30.000 Stunden (ca. 3,5 Jahre) abgeraten, aber es besteht keinerlei Grund, diesen Wert als Obergrenze bei lebensdauergeschmierten Lagern beizubehalten. Viele werkseitig geschmierte und abgedichtete Lager laufen in einfachen Anwendungen länger, als mit den üblichen Verfahren vorhergesagt. Da lebens­dauergeschmierte Kugellager, die werkseitig mit einem qualitativ hochwertigen Fett mit einem hohen Reinheitsgrad und einem idealen Füllgrad befettet sind mehr Sicherheit geben, ist es gerechtfertigt, für solche Lager eine erweiterte Berechnungsgrundlage für die Fettgebrauchsdauer anzulegen.

Ein neues komplexes Diagramm (Diagramm 1) wurde für lebensdauergeschmierte Rillenkugellager anhand desselben Modells wie das Diagramm der Nachschmierfristen entwickelt. In diesem Diagramm lässt sich die Fettgebrauchsdauer L10 direkt in Abhängigkeit vom Drehzahlparameter A, der Betriebstemperatur und der Fettsorte ablesen. Die Unterscheidung verchiedener Fettsorten geschieht über den Fettleistungsfaktor (GPF – grease performance factor). Im Diagramm ist für drei verschiedene GPF-Werte (GPF= 1, 2 bzw. 4) jeweils eine horizontale Temperaturskala angeführt. ­Tabelle 1 zeigt die GPF-Werte für die Fette, die SKF für die werkseitige Befüllung von Lagern verwendet, mit den Drehzahlbeschränkungen für die Gebrauchsdauerberechnung für jedes Fett.

Die Anpassung für die Betriebstemperatur erfolgt genauso, wie im SKF Hauptkatalog für die Nachschmierfristen angegeben. Aus der Kurvenform kann man die Zeitspanne erkennen, in der die Fettalterung einen Faktor von zwei für eine um jeweils 15 °C höhere Temperatur annimmt. Im Bereich niedriger Temperaturen verläuft die Kurve horizontal. Die durchgezogenen Linien bezeichnen den durch LTPL und HTPL begrenzten grünen Bereich.

Das Diagramm hilft bei der Auswahl eines Schmierfetts mit einem optimalen GPF-Wert. Die folgenden Beispiele zeigen, dass ein höherer GPF-Wert nicht unbedingt von Vorteil ist.

In einem abgedichteten Rillenkugellager bei n x dm = 300.000 bei 55 °C ist ein Fett mit GPF = 1 die optimale Lösung mit einem wert L10 von 30.000 Stunden. Bei GPF = 2 ist die geschätzte Gebrauchsdauer gleich; ein Fett mit GPF = 4 ist jedoch aufgrund der kürzeren Lebensdauer nicht empfehlenswert.

In einem Rillenkugellager 6302-2Z mit Deckscheiben mit einer Drehzahl von 15.000 min-1 (A=428.000) mit C/P = 8 bei 90 °C beträgt L10 schätzungsweise 1.500 Stunden mit einem Fett mit GPF = 1 (einschließlich eines Beiwerts von 0,5 für die Belastung (Tabelle 2). Ein Fett mit GPF = 2 ergäbe eine Fettgebrauchsdauer von L10 ≈ 3.000 Stunden. Diese längere Gebrauchsdauer ist jedoch nur zum Teil vorteilhaft, weil die geschätzte Lager-Ermüdungslebensdauer unter diesen Bedingungen L10 ≈ 2.100 Stunden beträgt (berechnet nach der SKF rating life method). Ein Fett mit einem höheren GPF-Wert ist häuteurer, so dass sich die zusätzlichen Kosten auch auszahlen müssen.

Beiwerte
Außerhalb des grünen Bereichs, unterhalb von LTPL oder oberhalb von HTPL (gestri­chelte Linien in Abb. 2 und Diagramm 1) nimmt die Fettgebrauchsdauer aufgrund veränderter Ausfallmechanismen rapide ab. Hier ist eine Abschätzung der Fettgebrauchsdauer anhand des allgemeinen Modells nicht mehr möglich.

Der Wert aus dem Diagramm ist die Mindest-Fettgebrauchsdauer (L10), die in abgedichteten, lebensdauergeschmierten SKF Rillenkugellagern unter optimalen Betriebsbedingungen mit umlaufendem Innenring bei geringer Belastung erreicht werden kann. Diese Kurve bezieht sich auf Lager mit Stahlkäund Metall-Deckscheiben (2Z). Eine längere Fettgebrauchsdauer kann mit Lager-Sonderausführungen erreicht werden, z. B. mit Sonderkäfig, ausgefeilter Abdichtung (2RS1, 2RSL, 2RZ usw.), Bauteilen aus Keramik usw. Einzelheiten erfragen Sie bitte bei der Technischen Beratung. Das Diagramm dient auch als Richtschnur für andere Radialkugellager wie Schrägkugellager oder Pendelkugellager.

Bei höheren Belastungen (C/P < 15) kommt ein Beiwert nach Tabelle 2 zur Anwendung. Die Beiwerte für ungünstige Betriebsbedingungen wie senkrechte Welle, Vorliegen von Schwingungen usw. sind im Abschnitt „Schmierung“ des SKF Hauptkatalogs angeführt. Lebensdauerberechnungen für exotische Fette (z. B. silikon- oder fluorhaltige Fette ) sind mit den neuen Diagrammen nicht möglich, da die Alterung dieser Fette anders verläuft.

Die Gebrauchsdauerberechnungen im interaktiven Programm LubeSelect (www.aptitudexchange.com, siehe auch Evolution 4/01) richten sich nach denselben Regeln wie die neuen SKF Diagramme. Die Gültigkeit des neuen Diagramms und der GPF-Werte für Standardfette nach Tabelle 1 wurde in intensiven Lebensdauerprüfungen auf dem SKF R0F-Prüfstand im SKF Engineering & Research Centre in Nieuwegein in den Niederlanden bestätigt.

 

 

 

 

 

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